KR101045122B1 - 용접 제어 장치 및 용접 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 용접 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부와, 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하는 파형 생성기를 구비하는 용접 제어 장치로서, 파형 생성기는 제 1 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에, 제 2 펄스와는 펄스 피크 전류 및/또는 펄스 폭이 다른 펄스 형상을 갖는 제 3 펄스를 생성해서 용접 전원에 출력함으로써 용적 이행 규칙성의 어긋남을 수정한다. 이러한 구성에 의해, 탄산 가스 주체의 실드 가스를 이용해도 1주기당 1용적 이행이 가능해져서, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러져도 즉시 정상 상태로 복귀시킬 수 있다.

Description

용접 제어 장치 및 용접 제어 방법{WELDING CONTROL APPARATUS AND METHOD}

본 발명은 용접 제어 장치에 관한 것으로, 특히 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스를 주성분으로서 포함하는 혼합 가스를 실드 가스로서 이용하는 펄스 아크 용접을 실행하는 용접 제어 장치 및 용접 제어 방법에 관한 것이다.

Ar-5~30% CO₂ 혼합 가스를 실드 가스로서 이용하는 MAG 용접 방법은 용적(溶滴)이 세립화하는 것에 기인하여 스패터(spatter) 발생량을 저감시킬 수 있다는 점때문에, 종래부터 넓은 분야에서 적용되고 있다. 특히, 고품질의 용접을 필요로 하는 분야에서는 용접 전류를 100~350Hz 정도의 펄스 전류로서 출력함으로써, 1펄스 1용적 이행으로 한 펄스 MAG 용접 방법의 적용이 확대되어 왔다.

그러나, Ar 가스는 탄산 가스와 비교하면 가격이 고가인 점에서, 통상의 용접 시공시에는 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스를 주성분으로 한 혼합 가스를 실드 가스로서 이용하는 일이 많다.

한편, 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스를 주성분으로 한 혼합 가스를 실드 가스로서 이용한 경우, MAG 용접 방법과 비교해서 용적이 조대화하고, 아크력에 의해 불규칙하게 진동하거나 변형하기 때문에, 모재와의 단락이나 아크 끊김을 발생시키기 쉬워, 용적 이행도 불규칙하게 되어서, 스패터 및 흄(fume)이 다량 발생한다는 문제가 있다.

이러한 문제에 대해서, 일본 특허 공개 제 1995-290241 호 및 일본 특허 공개 제 1995-47473 호에서는 탄산 가스 실드 아크 용접에 있어서 펄스 용접을 적용하고, 일본 특허 공개 제 1995-290241 호에서는 펄스 파라미터를 규정하는 것에 의해, 또한 일본 특허 공개 제 1995-47473 호에서는 펄스 파라미터 및 와이어 성분을 규정하는 것에 의해, 탄산 가스 아크 용접에서도 1펄스 1용적 이행을 실현하는 방법이 제안되어 있다. 이러한 종래의 방법은 피크 전류 인가전에 와이어 선단에 충분한 크기의 용적을 형성시켜 두는 것에 의해, 피크 전류의 전자 핀치력이 용적의 잘록부를 빨리 발생시켜서, 아크력에 의해 용적이 와이어 방향으로 되돌려지기 전에 용적을 와이어로부터 이탈시킬 수 있게 하는 것이다.

또한, 탄산 가스 실드 아크 용접 방법에 관해서, 일본 특허 공개 제 1996-267238 호에서는 용접 전원의 출력 제어 방법으로서 외부 특성 전환 제어를 실행함으로써, 한층더 스패터의 저감을 달성하는 용접 방법이 제안되어 있다.

미국 특허 제 5,834,732 호에서는, 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 이용한 펄스 아크 용접기의 출력 제어 장치에 관하여, 전압 또는 저항의 증가에 의해 용적 이탈을 검출하고, 검출한 시점으로부터 일정 기간, 전류를 저하시킴으로써, 스패터를 억제하고 있다.

또한, 미국 특허 제 6,037,554 호에서는, 탄산 가스를 주성분으로 하는 실드 가스를 이용하여, 와이어 송급량이 증가함에 따라 펄스 기간, 베이스 기간을 짧게 설정하는 제 1 펄스와, 제 1 펄스보다도 펄스 기간을 짧게 설정한 제 2 펄스로 이루어지는 다른 2종류의 펄스 파형을 출력하는 펄스 아크 용접기를 이용하여, 스패터를 억제하고 있다.

또한, 지금까지 본원 발명자들은 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스를 주성분으로 하는 혼합 가스를 실드 가스로서 이용한 1주기당 펄스 피크 전류 레벨이 다른 2종류의 펄스 파형을 교대로 출력시키는 펄스 아크 용접 방법에 있어서, 1주기당 1용적을 이행시키는 동시에 콘택트 팁과 모재간의 거리가 변화된 경우에도 1주기당 1용적 이행을 흐트러뜨리지 않는 범위에서, 용적을 정형하는 역할을 담당한 제 2 펄스에 대한 피크 전류(Ip2), 베이스 전류(Ib2), 피크 기간(Tp2), 베이스 기간(Tb2)중 1종 이상을 조정하는 것에 의해, 아크 길이를 일정하게 제어하는 펄스 아크 용접 방법을 제안하고 있다(미국 특허 공개 제 2007/210048 호 참조).

미국 특허 공개 제 2007/210048 호에 기재된 펄스 아크 용접 방법에 대해서 도 14를 참조해서 설명한다. 도 14는 상기 미국 특허 공개 제 2007/210048 호에 기재된 펄스 아크 용접 방법으로 생성되는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도이다. 이러한 펄스 아크 용접 방법을 실행하는 종래의 용접 제어 장치는 도 14에 있어서 하측에 도시하는 바와 같이, 펄스 파형이 다른 2종류의 펄스 전류(펄스 신호)로서, 제 1 펄스(901)와 제 2 펄스(902)를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력한다. 여기에서, 제 1 펄스(901) 및 제 2 펄스(902)의 펄스 파라미터는 소정의 조건을 만족하도록 설정된다.

이러한 조건에 의해 펄스 아크 용접을 실시하면, 도 14에 있어서 상측에 시계열적으로 도시하는 바와 같이, 도시하지 않는 피용접재와의 사이에 아크(904)가 생기는 용접 와이어(이하, 단순히 "와이어"라고 함)의 와이어 선단(905)의 용적 형성 및 용적 이행이 실행된다. 우선, 911의 상태는 그 이전의 펄스 주기에서 용적이 이탈한 후의 제 2 펄스 피크 기간중에 와이어 선단(905)에 용적이 성장하고, 또한 제 2 펄스 베이스 기간의 후기에 도달했을 때의 용적의 모양을 나타내고 있다. 이때, 제 2 펄스 피크 전류로부터 제 2 펄스 베이스 전류로 전류치가 급격하게 감소하기 때문에, 와이어 선단(905)에 있어서 압상력(押上力)이 약해지고, 용적은 911에 도시하는 바와 같이 와이어 선단(905)에 있어서 아래로 늘어지도록 정형된다.

계속해서, 제 1 펄스 피크 기간에 들어가면, 와이어중의 피크 전류에 의한 전자 핀치력에 의해, 용적은 912에 도시하는 바와 같이, 잘록부(906)를 형성하는 변화를 하면서 급속하게 이탈을 실행한다. 용접 제어 장치는 용적(907)의 와이어 선단(905)으로부터의 이탈을 검지하면, 검출시의 전류로부터 제 1 펄스 베이스 전류로 전류치를 급격하게 감소시켜서, 용적 이탈후의 와이어측으로 아크가 이동하는 순간에 있어서는 913에 도시하는 바와 같이, 제 1 펄스 베이스 기간으로 이행시켜서 전류가 충분히 내려가 있는 상태로 한다. 이에 의해, 와이어의 잘록부(906) 부분의 비산이나 이탈후의 잔류 융액의 비산에 의한 소립(小粒) 스패터를 대폭 저감할 수 있다.

계속해서, 제 2 펄스 피크 기간에서는, 용접 제어 장치는 용적 이탈후의 와 이어에 잔류한 잔류 융액이 이탈이나 비산을 하지 않는 레벨로 제 2 펄스 피크 전류를 설정하고, 이 제 2 펄스에서 용적을 914에 도시하는 바와 같이 성장시킨다. 그리고, 용접 제어 장치는 제 2 펄스 베이스 기간에서는 915에 도시하는 바와 같이 용적의 정형을 실행한다. 그리고, 용적은 다시 911의 상태로 되돌아가서 정형된다. 이 때문에, 용접 제어 장치는 통상은 1주기당 1용적의 이행을 극히 규칙적으로 실현할 수 있다.

일본 특허 공개 제 1995-290241 호, 일본 특허 공개 제 1995-47473 호 및 일본 특허 공개 제 1996-267238 호에 의한 방법은 모두 실드 가스로서 저렴한 탄산 가스를 이용하면서도, 1펄스 1용적 이행을 가능하게 하여, 용적 이행의 규칙성을 향상시키는 동시에 펄스가 없는 용접과 비교하면 대립(大粒)의 스패터 발생량을 저감할 수 있는 것이다. 그러나, 이들 특허 공보의 방법은 펄스 피크 기간 도중에 용적을 이탈시키는 점에서, 용적 이탈시의 와이어 선단의 잘록부 부분이 비산하는 것에 의한 소립 스패터나 용적 이탈후의 와이어에 잔류한 융액의 비산에 의한 소립 스패터가 다발하는 문제점이 있다.

미국 특허 제 5,834,732 호에 의한 출력 제어 장치에서는, 용적 이탈을 검지한 후, 소정 기간 전류를 저하시킴으로써, 스패터를 억제하는 것을 가능하게 하고 있지만, 이러한 방법에서는 용적 이탈의 유무에 관계없이 모든 펄스에 있어서, 펄스 피크 전류가 동일하기 때문에, 펄스 피크 전류를 용적 이탈이 가능해지는 펄스 피크 전류가 되도록 비교적 높게 설정하면, 용적 이탈후의 와이어에 잔류한 용융 금속이 강력한 아크력에 의해, 이탈후의 다음 펄스 피크 인가시에 비산해서 대립 스패터를 발생시키는 일이 있다. 또한, 용적 형성시의 과열이 크기 때문에, 흄 발생량도 많다. 이를 억제하기 위해서 펄스 피크 전류를 비교적 낮게 설정하면, 펄스 피크 기간에 용적이 이탈할 수 없게 된다는 문제점이 있었다.

또한, 미국 특허 제 6,037,554 호에서는, 와이어 송급량이 증가함에 따라, 펄스 기간, 베이스 기간을 짧게 설정하는 제 1 펄스와, 제 1 펄스보다도 펄스 기간을 짧게 설정한 제 2 펄스로 이루어지는 다른 2종류의 펄스 파형을 출력하는 펄스 아크 용접 방법에 의해, 스패터를 저감할 수 있다고 하고 있지만, 와이어 송급량의 증대에 따라, 제 1 펄스 기간, 제 1 베이스 기간을 짧게 설정하면, 제 2 펄스에 의한 전자 핀치력을 받는 전단계에 있어서, 와이어 선단의 용적 형상이 갖춰지지 않아서, 전자 핀치력이 유효하게 작용하지 않게 된다. 그 때문에, 1주기당 1용적의 규칙적인 이행이 곤란하게 되어서, 대립 스패터를 발생시킨다는 문제점이 있었다.

또한, 미국 특허 공개 제 2007/210048 호에서는, 1주기당 펄스 피크 전류 레벨이 다른 2종류의 펄스 파형을 교대로 출력시킴으로써, 소립 스패터나 용적 이탈후의 다음 펄스 피크 인가시에 비산하는 대립 스패터를 대폭 저감할 수 있는 동시에, 넓은 와이어 송급 속도 범위에서 1주기당 1용적 이행을 가능하게 할 수 있다.그러나, 용적을 이탈시켜야 할 제 1 펄스에 있어서, 어떠한 외란에 의해 용적의 이탈에 실패한 경우, 그 이후의 용적 이행의 규칙성이 흐트러져서, 정상 상태로 부활할 때까지 수주기 걸리기 때문에, 그 기간, 스패터 및 흄을 증대시켜 버린다는 문제점이 있었다.

그래서, 본 발명에서는 상기한 문제를 해결하고, 탄산 가스 주체의 실드 가스를 이용해도 1주기당 1용적 이행이 가능해서, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러져도 즉시 정상 상태로 복귀시킬 수 있는 용접 제어 장치 및 용접 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 용접 제어 장치는, 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스가 주성분인 혼합 가스를 실드 가스로 하는 아크 용접에 이용되는 용접 제어 장치로서, 용접 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부와, 상기 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 상기 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하는 동시에 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 상기 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하는 파형 생성기를 구비하고, 상기 파형 생성기가, 상기 제 1 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에, 상기 제 2 펄스와는 펄스 피크 전류 및 펄스 폭중 적어도 한쪽이 다른 펄스 형상을 갖는 제 3 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력한다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는 통상은 제 1 펄스와 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하고, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 파형 생성기에 의해, 제 1 펄스에 이어서 제 2 펄스와는 다른 제 3 펄스를 출력한다. 여기에서, 제 3 펄스를 용적을 강제적으로 이탈시키기 위한 펄스로 할 수도 있고, 용적을 스무스하게 이탈할 수 있도록 다시 정형해서 고치기 위한 펄스로 할 수도 있다. 이로써, 본 발명의 용접 제어 장치에서는, 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래의 장치보다도 짧게 할 수 있다. 따라서, 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간에 발생하는 스패터 및 흄을 저감시킬 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 용접 제어 장치에 있어서, 상기 파형 생성기가, 상기 제 3 펄스의 피크 기간 또는 하강 슬로프 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 해당 제 3 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하고, 상기 소정치의 전류에 대해서 미리 설정된 기간의 종료후에 상기 제 2 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력하도록 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 파형 생성기에 의해, 제 1 펄스에 이어서, 용적을 강제적으로 이탈시키기 위한 펄스로서의 제 3 펄스를 출력한다. 그리고, 용접 제어 장치는, 제 3 펄스를 출력해서 용적의 이탈을 확인한 후에 제 2 펄스를 출력하므로, 그 제 2 펄스에 이어서, 다시 제 1 펄스와 제 2 펄스를 교대로 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명의 용접 제어 장치는 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래의 장치보다도 짧게 할 수 있다.

또한, 상기 파형 생성기가, 상기 제 3 펄스의 피크 기간 또는 하강 슬로프 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 용적의 이탈이 검출될 때까지 미리 설정된 회수를 최대로 하여 연속해서 상기 제 3 펄스를 반복 생성해서 상기 용접 전원에 출력하도록 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는, 용적을 강제적으로 이탈시키기 위한 펄스로서의 제 3 펄스를 1회 출력한 후에 용적의 이탈을 확인할 수 없었다고 해도, 제 3 펄스를 연속해서 출력할 수 있으므로, 용적을 강제적으로 이탈시킴으로써, 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래의 장치보다도 짧게 할 수 있 다.

또한, 상기 제 1 펄스의 피크 전류(Ip1)는 300A 내지 700A, 상기 제 1 펄스의 피크 기간(Tp1)은 0.3ms 내지 5.0ms, 상기 제 1 펄스 베이스 전류(Ib1)는 30A 내지 200A, 상기 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1)은 0.3ms 내지 10ms, 상기 제 2 펄스의 피크 전류(Ip2)는 Ip2<Ip1, 또한 200A 내지 600A, 상기 제 2 펄스 피크 기간(Tp2)은 1.0ms 내지 15ms, 상기 제 2 펄스 베이스 전류(Ib2)는 30A 내지 200A, 상기 제 2 베이스 기간(Tb2)은 3.0ms 내지 20ms 이며, 상기 제 3 펄스에 대한 상기 소정치가 상기 제 3 펄스 베이스 기간의 전류치를 나타내는 베이스 전류이며, 상기 미리 설정된 기간이 상기 제 3 펄스 베이스 기간이며, 상기 제 3 펄스의 피크 전류(Ip3)가 300A 내지 700A, 상기 제 3 펄스의 상승 슬로프 기간(Tu3)이 5.0ms 이하, 상기 제 3 펄스의 피크 기간(Tp3)이 0.3ms 내지 5.0ms, 상기 제 3 펄스의 하강 슬로프 기간(Td3)이 10.0ms 이하, 상기 제 3 펄스 베이스 전류(Ib3)가 30A 내지 200A, 상기 제 3 펄스 베이스 기간(Tb3)이 0.3ms 내지 10ms의 각 조건을 만족하도록 할 수 있다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는, 피크 전류(Ip3)나 피크 기간(Tp3)이 조건을 만족하는 제 3 펄스를 생성함으로써, 이 제 3 펄스가 용적을 이탈시키는 과정에 있어서 충분한 전자 핀치력를 확보시키는 것에 기여할 수 있다. 또한, 용접 제어 장치는, 상승 슬로프 기간(Tu3)이나 하강 슬로프 기간(Td3)이 조건을 만족하는 제 3 펄스를 생성함으로써, 이 제 3 펄스가 아크력이나 전자 핀치력의 급격한 변화를 방지하여, 용적에 있어서 아크의 발생점을 서서히 이동시키는 것에 기여할 수 있다. 또한, 용접 제어 장치는, 베이스 전류(Ib3)나 베이스 기간(Tb3)이 조건을 만족하는 제 3 펄스를 생성함으로써, 이 제 3 펄스가 용적 이탈후에 와이어측으로 아크가 이동하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 또한 소립 스패터 발생을 억제하는 것에 기여할 수 있다.

또한, 상기 본 발명의 용접 제어 장치에 있어서, 상기 파형 생성기가, 상기 제 3 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 해당 제 3 펄스 베이스 기간의 종료후에, 상기 제 1 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력하도록 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에, 파형 생성기에 의해, 제 1 펄스에 이어서, 용적을 스무스하게 이탈할 수 있도록 다시 정형해서 고치기 위한 펄스로서의 제 3 펄스를 출력한다. 그리고, 용접 제어 장치는, 제 3 펄스를 출력해서 제 3 펄스 베이스 기간의 종료까지 용적의 이탈이 검출되지 않는 경우에, 그 제 3 펄스에 이어서 용적을 이탈시키기 위해서 통상 이용하고 있는 제 1 펄스를 출력한다. 그 때문에, 제 3 펄스에 의해 정형해서 고친 용적을 제 1 펄스에 의해 이탈시키면, 다시 제 1 펄스와 제 2 펄스를 교대로 출력할 수 있다. 따라서, 본 발명의 용접 제어 장치는 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래의 장치보다도 짧게 할 수 있다.

또한, 상기 제 1 펄스의 피크 전류(Ip1)는 300A 내지 700A, 상기 제 1 펄스의 피크 기간(Tp1)은 0.3ms 내지 5.0ms, 상기 제 1 펄스 베이스 전류(Ib1)는 30A 내지 200A, 상기 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1)은 0.3ms 내지 10ms, 상기 제 2 펄스의 피크 전류(Ip2)는 Ip2<Ip1, 또한 200A 내지 600A, 상기 제 2 펄스 피크 기간(Tp2)은 1.0ms 내지 15ms, 상기 제 2 펄스 베이스 전류(Ib2)는 30A 내지 200A, 상기 제 2 펄스 베이스 기간(Tb2)은 3.0ms 내지 20ms이며, 상기 제 3 펄스의 피크 전류(Ip3)가 100A 내지 400A, 상기 제 3 펄스의 피크 기간(Tp3)이 0.3ms 내지 10.0ms, 상기 제 3 펄스 베이스 전류(Ib3)가 30A 내지 200A, 상기 제 3 펄스 베이스 기간(Tb3)이 0.3ms 내지 15ms의 각 조건을 만족하도록 해도 좋다.

이러한 구성에 의하면, 용접 제어 장치는, 피크 전류(Ip3)나 피크 기간(Tp3)이 조건을 만족하는 제 3 펄스를 생성함으로써, 이 제 3 펄스가 용적을 정형하는 과정에 있어서 용적을 안정하게 형성하는 것에 기여할 수 있다. 또한, 용접 제어 장치는, 제 3 펄스 베이스 전류(Ib3)나 베이스 기간(Tb3)이 조건을 만족하는 제 3 펄스를 생성함으로써, 이 제 3 펄스가 용적을 정형하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 안정하게 용적을 정형하는 것에 기여할 수 있다.

본 발명의 용접 제어 방법은, 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스가 주성분인 혼합 가스를 실드 가스로 하는 아크 용접에 있어서 용접 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부와, 상기 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 상기 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하는 동시에 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 상기 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하는 파형 생성기를 구비하는 용접 제어 장치의 용접 제어 방법으로서, 상기 용접 제어 장치가, 상기 용적 이탈 검출부에 의해, 상기 제 1 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 파형 생성기에 의해, 상기 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에, 상기 제 2 펄스와는 펄스 피크 전류 및 펄스 폭중 적어도 한쪽이 다른 펄스 형상을 갖는 제 3 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력함으로써 용적 이행 규칙성의 어긋남을 수정한다.

이러한 순서에 의하면, 용접 제어 장치는, 통상은 제 1 펄스와 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하고, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에, 파형 생성기에 의해, 제 1 펄스에 이어서 제 2 펄스와는 다른 제 3 펄스를 출력한다. 이로써, 본 발명의 용접 제어 방법에서는, 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래의 방법보다도 짧게 할 수 있다. 따라서, 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간에 발생하는 스패터 및 흄을 저감시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 용접 제어 장치는, 어떠한 외란에 의해 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌을 때에, 용적을 이탈시키는 제 1 펄스에 이어서, 용적을 정형하는 제 2 펄스와는 다른 제 3 펄스를 출력함으로써, 용적 이행의 규칙성을 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간을 종래보다도 단축할 수 있다. 따라서, 정상 상태로 복귀시킬 때까지 필요한 기간에 발생하는 스패터 및 흄을 저감시킬 수 있다. 그 결과, 가령 용적 이행의 규칙성이 흐트러졌다고 해도 그때의 용접의 품질의 저하를 최소한으로 억제할 수 있다.

이하, 도면을 참조해서 본 발명의 용접 제어 장치 및 용접 제어 방법을 실시하기 위한 최선의 형태(이하, 「실시형태」라고 함)에 대해서 설명한다. 우선, 본 발명의 용접 제어 방법의 개요, 이러한 용접 제어 방법중 2종류의 방법을 설명한 후에 종래 기술과 대비했을 때의 특징, 본 발명의 용접 제어 방법을 실현하는 용접 제어 장치의 구성 및 그 동작에 대해서 순차적으로 설명해 가는 것으로 한다.

[용접 제어 방법의 개요]

도 1은 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도이다. 본 발명의 용접 제어 장치는, 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스가 주성분인 혼합 가스를 실드 가스로 하는 아크 용접에 있어서 펄스 전류(펄스 신호)에 의해 1주기당 1용적의 용적 이행의 규칙성을 실현하는 것이다. 본 발명의 용접 제어 장치는 도 1에 있어서 하측에 도시하는 바와 같이, 통상은 펄스 파형이 다른 2종류의 펄스 전류(펄스 신호)로서, 제 1 펄스(201)와 제 2 펄스(202)를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력한다. 여기에서, 제 1 펄스(201) 및 제 2 펄스(202)의 파형 형상의 상세를 도 2에 도시한다. 제 1 펄스(201) 및 제 2 펄스(202)의 펄스 파라미터는, 예컨대 도 1을 참조해서 설명한 조건을 만족하도록 설정된다.

이러한 조건에 의해 펄스 아크 용접을 실시하면, 도 1에 있어서 상측에 시계열적으로 도시하는 바와 같이, 도시하지 않는 피용접재와의 사이에 아크(204)가 생기는 용접 와이어(이하, 단순히 "와이어"라고 함)의 와이어 선단(205)의 용적 형성 및 용적 이행이 실행된다. 우선, 211의 상태는 그 이전의 펄스 주기에서 용적이 이탈한 후의 제 2 펄스 피크 기간 동안에 와이어 선단(205)에 용적이 성장하고, 또한 제 2 펄스 베이스 기간의 후기에 도달했을 때의 용적의 모양을 도시하고 있다. 이때, 제 2 펄스 피크 전류로부터 제 2 펄스 베이스 전류로 전류치가 급격하게 감소하기 때문에, 와이어 선단(205)에 있어서 압상력이 약해지고, 용적은 211에 도시하는 바와 같이 와이어 선단(205)에 있어서 아래로 늘어지도록 정형된다. 계속해서, 제 1 펄스 피크 기간에 들어가면, 와이어중의 피크 전류에 의한 전자 핀치력에 의해, 용적은 212에 도시하는 바와 같이, 잘록부(206)를 형성하는 변화를 한다.

여기에서, 예컨대 와이어 송급 속도 변동이나 용융지(溶融池) 변동 등의 어떠한 외란에 의해, 제 1 펄스 피크 기간, 제 1 펄스 하강 슬로프 기간, 또는 제 1 펄스 베이스 기간에서, 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우가 생긴 것으로 한다. 도 1에 있어서는, 213에 도시하는 바와 같이, 제 1 펄스 베이스 기간에서 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우를 나타내고 있다. 이렇게 제 1 펄스 베이스 기간, 제 1 펄스 하강 슬로프 기간, 또는 제 1 펄스 베이스 기간에서, 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우에는, 본 발명의 용접 제어 장치는 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에 제 2 펄스(202)와는 펄스 피크 전류 및/또는 펄스 폭이 다른 펄스 형상을 갖는 펄스 전류(펄스 신호)를 나타내는 제 3 펄스(203)를 생성해서 용접 전원에 출력한다. 어떻게 다른 펄스 형상인지에 대해서는 후술한다.

제 3 펄스를 출력하는 목적은 1주기당 1용적의 용적 이행의 규칙성의 어긋남을 수정하여, 빨라 정상 상태로 복귀시키는 것이다. 이를 위해서는, 2개의 방법이 있다. 제 1 방법은, 와이어 선단(205)으로부터 이탈할 수 없었던 용적을 제 3 펄스에 의해 강제적으로 이탈시켜서 제 3 펄스에 이어서 제 2 펄스를 출력하는 방법이다. 제 2 방법은, 와이어 선단(205)으로부터 이탈할 수 없었던 용적을 제 3 펄스에 의해 정형해서 고쳐서, 제 3 펄스에 이어서 출력하는 제 1 펄스로 용적을 이탈시키는 방법이다. 본 발명의 용접 제어 장치는, 후술하는 바와 같이, 제 1 방법 및 제 2 방법에 각각 적합한 형상의 파형을 갖는 제 3 펄스를 출력한다. 이 제 3 펄스(203)의 파형 형상에는, 상세하게는, 도 2에 도시하는 바와 같이, 베이스 전류(Ib3)로부터 피크 전류(Ip3)에 이르는 상승 슬로프 기간(Tu3)이나 피크 전류(Ip3)로부터 베이스 전류(Ib3)에 이르는 하강 슬로프 기간(Td3)이 포함된다.

[제 1 방법의 개요]

제 1 방법에서는, 제 3 펄스의 피크 전류(제 3 펄스 피크 전류)를, 예컨대 도 1에 도시하는 바와 같이, 제 2 펄스 피크 전류보다 높게 한다. 이것을 제 3 펄스의 제 1 실시형태라고 한다. 이로써, 제 3 펄스는 와이어 선단(205)으로부터 이탈할 수 없었던 용적을 214에 도시하는 바와 같이 강제적으로 이탈시키는 것이 가능하다. 이 경우, 용접 제어 장치는 용적(207)의 와이어 선단(205)으로부터의 이탈을 검지하면, 검출시의 전류로부터, 예컨대 도 1에 도시하는 바와 같이 제 3 펄스 베이스 전류로 전류치를 급격하게 감소시켜서, 용적 이탈후의 와이어측으로 아크가 이동하는 순간에 있어서는, 214에 도시하는 바와 같이, 제 3 펄스 베이스 기간으로 이행시켜서, 전류가 충분히 내려가 있는 상태로 한다. 이에 의해, 와이어의 잘록부(206) 부분의 비산이나 이탈후의 잔류 융액의 비산에 의한 소립 스패터를 대폭 저감할 수 있다.

또한, 제 3 펄스의 출력에 이어서, 제 2 펄스를 출력하면, 제 2 펄스 피크 기간에서는, 용접 제어 장치는 용적 이탈후의 와이어에 잔류한 잔류 융액이 이탈이나 비산을 하지 않는 레벨로 제 2 펄스 피크 전류를 설정하고, 이 제 2 펄스로 용적을 215에 도시하는 바와 같이 성장시킨다. 그리고, 용접 제어 장치는, 제 2 펄스 베이스 기간에서는 216에 도시하는 바와 같이 용적의 정형을 실행한다. 그리고, 용적은 다시 211의 상태로 되돌아가서 정형된다. 이 때문에, 용접 제어 장치는 용적 이행의 규칙성의 어긋남을 수정하여, 종래보다도 빨리 정상 상태로 복귀시킬 수 있다.

[제 2 방법의 개요]

제 2 방법에서는, 예컨대 제 3 펄스의 피크 전류(제 3 펄스 피크 전류)를 제 2 펄스 피크 전류보다 낮게 한다. 이것을 제 3 펄스의 제 2 실시형태라고 한다. 이로써, 제 3 펄스는, 와이어 선단(205)으로부터 이탈할 수 없었던 용적을 211에 도시하는 바와 같이, 와이어 선단(205)에 있어서 아래로 늘어지도록 정형한다. 그리고, 제 3 펄스의 출력에 이어서, 제 1 펄스를 출력하면, 제 1 펄스 피크 기간에 있어서, 와이어중의 피크 전류에 의한 전자 핀치력에 의해, 용적은 212에 도시하는 바와 같이, 잘록부(206)를 형성하는 변화를 하면서, 214에 도시하는 바와 같이 급속하게 이탈을 실행한다. 이후는, 제 2 펄스, 제 1 펄스를 순차로 교대로 출력할 수 있으므로, 용적 이행의 규칙성의 어긋남을 수정할 수 있다.

[제 1 방법의 적합한 파라미터 조건]

제 1 펄스, 제 2 펄스의 파라미터 조건으로서는, 전술한 미국 특허 공개 제 2007/210048 호에 기재한 것이 바람직하다. 즉, 제 1 펄스(901)의 피크 전류(제 1 펄스 피크 전류)(Ip1)를 300A 내지 700A, 그 기간(제 1 펄스 피크 기간)(Tp1)을 0.3ms 내지 5.0ms, 베이스 전류(제 1 펄스 베이스 전류)(Ib1)를 30A 내지 200A, 그 기간(제 1 펄스 베이스 기간)(Tb1)을 0.3ms 내지 10ms로 한다. 또한, 제 2 펄스(902)의 피크 전류(제 2 펄스 피크 전류)(Ip2)를 Ip2<Ip1, 또한 200A 내지 600A, 그 기간(제 2 펄스 피크 기간)(Tp2)을 1.0ms 내지 15ms, 베이스 전류(제 2 펄스 베이스 전류)(Ib2)를 30A 내지 200A, 그 기간(제 2 펄스 베이스 기간)(Tb2)을 3.0ms 내지 20ms로 한다. 또한, 제 1 펄스(901) 및 제 2 펄스(902)의 파형 형상에는, 상세하게는, 도 15에 도시하는 바와 같이 베이스 전류로부터 피크 전류에 이르는 상승 슬로프 기간(제 1 펄스 상승 슬로프 기간)(Tup1), 제 2 펄스 상승 슬로프 기간(Tup2)이나 피크 전류로부터 베이스 전류에 이르는 하강 슬로프 기간(Tdown)이 포함된다.

또한, 이러한 파라미터 조건은 제 1, 제 2 펄스의 적합한 범위의 일례이고, 이것에 한정되는 것은 아니다. 요컨대, 제 1, 제 2 펄스는 용적을 이탈시키는 역할과, 용적을 정형하는 역할에 따라 펄스 파형이 설정되어 있으면 좋다.

제 1 방법에서는, 이탈할 수 없었던 용적을 제 3 펄스에 의해 강제적으로 이탈시키므로, 도 2에 파형을 도시하는 제 3 펄스의 제 1 실시형태에 있어서의 펄스 파라미터의 조건을 하기와 같이 설정하는 것이 바람직하다.

<피크 전류(Ip3)>

피크 전류(제 3 펄스 피크 전류)(Ip3)는 300A 내지 700A로 한다. 이 피크 전류(Ip3)는 용적을 이탈시키는 과정에 있어서 충분한 전자 핀치력를 확보하는데 크게 기여한다. 피크 전류(Ip3)가 300A 미만이면, 전자 핀치력이 약하여, 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 없다. 한편, 피크 전류(Ip3)가 700A를 초과하면, 용적을 밀어올리는 아크력이 지나치게 강해져 버려서, 이탈한 용적이 스패터로 될 가능성이 있을 뿐만 아니라, 장치 중량이나 비용이 상승하는 문제도 생긴다. 피크 전류(Ip3)로서, 보다 바람직한 범위는 400A 내지 600A이다.

<상승 슬로프 기간(Tu3)>

상승 슬로프 기간(제 3 펄스 상승 슬로프 기간)(Tu3)은 5.0ms 이하로 한다. 이 상승 슬로프 기간(Tu3)은 급격한 아크력의 증가를 방지하여, 서서히 아크의 발생점을 용적의 상방부로 이동시키는데 기여한다. 이로써, 제 3 펄스에 있어서의 용적 이탈이 성공하기 쉬워진다. 상승 슬로프 기간(Tu3)이 5.0ms를 초과하면, 용적을 이탈시키는 전자 핀치력보다도, 용적을 밀어올리는 아크력쪽이 강해져서, 이탈한 용적이 스패터로 될 가능성이 높아져 버리므로 바람직하지 않다.

<피크 기간(Tp3)>

피크 기간(제 3 펄스 피크 기간)(Tp3)은 0.3ms 내지 5.0ms로 한다. 이 피크 기간(Tp3)은 피크 전류(Ip3)와 마찬가지로, 용적을 이탈시키는 과정에 있어서 충분한 전자 핀치력를 확보하는데 크게 기여한다. 피크 기간(펄스 폭)(Tp3)이 0.3ms 미만이면, 전자 핀치력에 의해 용적을 이탈시킬 수 없어, 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 없다. 한편, 피크 기간(Tp3)이 5.0ms를 초과하면, 아크력이 용적을 크 게 밀어올리기 때문에, 이탈 검출시의 전류치로부터 즉시 전류치를 베이스 전류(Ib3)로 저하시켰다고 해도, 소립 스패터를 억제하는 효과가 생기기 어려워져 버린다.

<하강 슬로프 기간(Td3)>

하강 슬로프 기간(제 3 펄스 하강 슬로프 기간)(Td3)은 10.0ms 이하로 한다. 이 하강 슬로프 기간(Td3)은 피크 전류(Ip3)로부터 베이스 전류(Ib3)에 이르는 과정에 있어서 급격한 핀치력의 저하를 막는데 기여한다. 가령 용적의 이탈이 끝나지 않은 도중에 제 3 펄스의 파형이 베이스 전류(Ib3)로 변화해 버리면, 용적의 이탈이 실패할 경우가 있다. 그러나, 하강 슬로프 기간(Td3)이 10.0ms 이하의 조건을 만족하는 것에 의해, 용적의 이탈이 실패하는 빈도를 대폭 저감할 수 있다. 한편, 하강 슬로프 기간(Td3)이 10.0ms를 초과해 버리면, 이탈시의 전류치가 비교적 높은 전류치를 갖는 상태로 용적 이탈이 일어나기 때문에, 이탈 검출시의 전류치로부터 즉시 전류치를 베이스 전류(Ib3)로 저하시켰다고 해도, 소립 스패터를 억제하는 효과가 생기기 어려워져 버린다.

<베이스 전류(Ib3)>

베이스 전류(제 3 펄스 베이스 전류)(Ib3)는 30A 내지 200A로 한다. 이 제 3 베이스 전류(Ib3)는, 용적 이탈후에 와이어측으로 아크가 이동하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 소립 스패터 발생을 억제하는 것에 크게 기여한다. 제 3 베이스 전류(Ib3)가 30A 미만이면, 아크 끊김, 단락이 발생하기 쉬워진다. 한편, 제 3 베이스 전류(Ib3)가 200A를 초과하면, 용적으로부터 와이어로 아 크가 이동하는 순간에 있어서, 와이어측에 잔류하는 융액에 기여하는 아크력이 커져서, 소립 스패터를 억제할 수 없게 된다.

<베이스 기간(Tb3)>

베이스 기간(제 3 펄스 베이스 기간)(Tb3)은 0.3ms 내지 10ms로 한다. 이 베이스 기간(Tb3)은, 베이스 전류(Ib3)와 마찬가지로, 용적 이탈후에 와이어측으로 아크가 이동하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 소립 스패터 발생을 억제하는 것에 크게 기여한다. 베이스 기간(Tb3)이 0.3ms 미만이면, 와이어에 잔류한 융액을 정형하기 위해서는 불충분해서, 소립 스패터를 억제할 수 없게 된다. 한편, 베이스 기간(Tb3)이 10ms를 초과하면, 용적과 용융지 사이에서 단락이 생기기 쉬워져, 용적 이행의 규칙성을 흐트러지게 한다. 또한, 용접 전류의 상한이 억제되어, 높은 와이어 송급 속도 조건에 있어서의 용접이 어려워진다.

[제 2 방법의 적합한 파라미터 조건]

제 1 펄스, 제 2 펄스의 적합한 파라미터 조건은 제 1 방법의 경우와 동일하다.

제 2 방법에서는, 용적을 제 3 펄스에 의해 정형해서 고쳐서, 제 3 펄스에 이어서 출력하는 제 1 펄스로 용적을 이탈시키므로, 도 2에 파형을 도시하는 제 3 펄스의 제 2 실시형태에 있어서의 펄스 파라미터의 조건을 하기와 같이 설정하는 것이 바람직하다.

<피크 전류(Ip3)>

피크 전류(제 3 펄스 피크 전류)(Ip3)는 100A 내지 400A로 한다. 이 피크 전류(Ip3)는, 용적을 형성하는 과정에 있어서, 용적을 안정하게 정형하는 것에 크게 기여한다. 피크 전류(Ip3)가 100A 미만이면, 아크력이 불충분하기 때문에, 용적을 재차 들어올릴 수 없어서, 다음의 제 1 펄스로 용적을 이탈시킬 수 없다. 또한, 용접 전류의 상한이 억제되어, 와이어를 고속으로 송급하는 조건에 있어서 용접을 실행하는 것이 어려워진다. 한편, 피크 전류(Ip3)가 400A를 초과하면, 와이어의 용융이 과도하게 진행할 뿐만 아니라, 아크력이 지나치게 강하게 되어 버리므로, 제 3 펄스 피크 전류의 인가시에 용적이 이탈하거나 비산해서, 스패터를 발생시켜 버린다. 피크 전류(Ip3)로서, 보다 바람직한 범위는 200A 내지 300A이다.

<피크 기간(Tp3)>

피크 기간(제 3 펄스 피크 기간)(Tp3)은 0.3ms 내지 10.0ms로 한다. 이 피크 기간(Tp3)은, 피크 전류(Ip3)와 마찬가지로, 용적을 정형하는 과정에 있어서 용적을 안정하게 형성하는 것에 크게 기여한다. 피크 기간(펄스 폭)(Tp3)이 0.3ms 미만이면, 용적을 재차 들어올릴 수 없어서, 다음의 제 1 펄스로 용적을 이탈시킬 수 없다. 한편, 피크 기간(Tp3)이 10.0ms를 초과하면, 와이어의 용융이 과도하게 진행할 뿐만 아니라 제 3 펄스의 기간 동안에 용적이 이탈하거나 비산해서, 스패터를 발생시켜 버려, 1주기 1용적의 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 없다.

<베이스 전류(Ib3)>

베이스 전류(제 3 펄스 베이스 전류)(Ib3)는 30A 내지 200A로 한다. 이 제 3 베이스 전류(Ib3)는, 용적을 정형하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 안정하게 용적을 정형하는 것에 크게 기여한다. 제 3 베이스 전류(Ib3)가 30A 미만이면, 아크 끊김, 단락이 발생하기 쉬워진다. 한편, 제 3 베이스 전류(Ib3)가 200A를 초과하면, 용적에 기여하는 아크력이 커지는 동시에, 베이스 기간(Tb3)에서의 용융이 과대하게 되어, 용적이 흔들려서 안정하게 정형할 수 없게 된다.

<베이스 기간(Tb3)>

베이스 기간(제 3 펄스 베이스 기간)(Tb3)은 0.3ms 내지 15ms로 한다. 이 베이스 기간(Tb3)은, 베이스 전류(Ib3)와 마찬가지로, 용적을 정형하는 과정에 있어서, 아크 끊김을 일으키지 않고, 안정하게 용적을 정형하는 것에 크게 기여한다. 베이스 기간(Tb3)이 0.3ms 미만이면, 용적을 충분히 정형시킬 수 없어, 다음의 제 1 펄스에 있어서, 용적의 이탈 방향에 편차가 생긴다. 한편, 베이스 기간(Tb3)이 15ms를 초과하면, 베이스 기간에서의 용융량이 과대하게 되어, 용적과 용융지 사이에서 단락이 생기기 쉬워져서, 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 없다.

[외란이 생겼을 때의 용적 이행의 개요]

외란이 생겼을 때의 용적 이행에 대해서, 본 발명의 용접 제어 방법을 종래의 방법과 비교하기 위해서, 이하의 용접 조건 1에서 펄스 아크 용접을 실시했을 때의 펄스 파형의 예에 대해서 도 3 및 도 4를 참조해서 설명한다. 도 3은 본 발명의 용접 제어 장치에 의한 용적의 이탈 검지의 일례를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 도시하고 있다. 도 4는 도 3의 그래프의 비교예로서, 제 3 펄스를 이용하지 않는 종래의 용접 제어 장치에 의한 용적의 이탈 검지를 설명하는 그래프이다.

(용접 조건 1)

와이어 : JIS Z3312 YGW11 1.2mmφ

탄산 가스 : 100% CO₂

시험판 : SM490A

팁 모재간 거리 : 25mm

용접 속도 : 30cm/min

와이어 송급 속도 : 16.0m/min

용접 전류 : 305A

아크 전압 : 37V

종래의 용접 제어 장치는 도 4의 301에 도시하는 기간(0 내지 약 50ms)에서는, 제 1 펄스와, 그것보다도 피크 전류가 낮은 제 2 펄스를 교대로 출력함으로써, 1주기당 1용적 이행의 용적 이행의 규칙성이 실현되고 있다. 구체적으로는 4주기 동안에 4회의 이탈이 검지되고 있다. 이 301에 도시하는 기간에서는 스패터 및 흄의 발생이 적었다. 도 4의 그래프에 있어서 5회째의 이탈이 검지되어야 할 타이밍(302)은 제 1 펄스 피크 기간, 또는 거기에 이어지는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간, 또는 거기에 이어지는 제 1 펄스 베이스 기간을 도시하고 있다. 그러나, 이러한 타이밍(302)에 있어서, 어떠한 외란에 의해, 용적의 이탈을 검지하지 못하고, 그대로 자연히 두면, 도 4의 303에 도시하는 기간(약 50ms 내지 약 190ms)에서는 용적 이행의 규칙성이 흐트러진다. 구체적으로는 6주기 연속해서 이탈이 검지되지 않고, 7주기째에는 한번 검지되지만, 8주기째에는 검지되지 않고, 9주기째 이후에 겨우 용적 이행의 규칙성이 복귀하고 있다. 이 303에 도시하는 기간에서는 스패터 및 흄의 발생이 증대했다.

한편, 본 발명의 용접 제어 장치는, 도 3의 311에 도시하는 기간(0 내지 약 120ms)에서는, 8주기 동안에 8회의 용적 이탈을 검지하고 있어, 용적 이행의 규칙성이 실현되고 있다. 도 3의 그래프에 있어서 9주기째의 이탈이 검지되어야 할 타이밍(312)은 제 1 펄스 피크 기간, 또는 거기에 이어지는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간, 또는 거기에 이어지는 제 1 펄스 베이스 기간을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 타이밍(312)에 있어서, 어떠한 외란에 의해, 용적의 이탈을 검지하지 못하였으므로, 본 발명의 용접 제어 장치는 제 1 펄스 베이스 기간 종료후의 타이밍(313)에 제 3 펄스를 출력한다. 이로써, 직후의 10주기째의 이탈이 검지되야 할 타이밍으로부터 용적 이행의 규칙성이 복귀하고 있다. 따라서, 용적 이행의 규칙성이 흐트러지는 기간은 종래의 방법에 비해서 대폭 감소했다. 그 결과, 종래의 방법에 비하여 스패터 및 흄의 발생이 대폭 감소했다.

[제 1 방법에 있어서의 용적 이행]

제 1 방법에 있어서, 상기한 용접 조건 1에서 펄스 아크 용접을 실시했을 때의 펄스 파형의 예에 대해서 도 5를 참조해서 설명한다. 도 5는 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 제 3 펄스의 제 1 실시형태를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 각각 도시하고 있다. 도 5의 그래프에 있어서 타이밍(401)은, 제 1 펄스의 이탈 검지의 지표가 되는 기간(피크 기간, 하강 슬로프 기간, 베이스 기간)을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 타이밍(401)에 있어서, 어떠한 외란에 의해, 용적의 이탈을 검지하지 못하였으므로, 본 발명의 용접 제어 장치는 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에 제 3 펄스를 출력하고 있다.

제 3 펄스 피크 기간 또는 제 3 펄스 하강 슬로프 기간중에 용적의 이탈을 검지한 타이밍(402)에 있어서, 검지하자마자 본 발명의 용접 제어 장치는 제 3 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하고, 소정치의 전류에 대해서 미리 설정된 기간의 종료후에, 도 5에 있어서 403에서 도시하는 바와 같이, 제 2 펄스를 생성해서 용접 전원에 출력한다. 이로써, 와이어의 잘록부 부분의 비산이나 이탈후의 잔류 융액의 비산에 의한 소립 스패터를 대폭 저감시킬 수 있다.

도 5에서는, 제 3 펄스를 1회 출력한 것만으로 용적의 이탈을 검지하는 것으로 했지만, 만일 검지할 수 없는 경우에 대비하여, 용적의 이탈이 검출될 때까지 미리 설정된 회수를 최대로 하여 연속해서 제 3 펄스를 반복 생성해서 용접 전원에 출력할 수도 있다. 이때의 반복 조건으로서는, 최대 회수를 예컨대 5회 내지 6회로 할 수 있다. 또한, 제 3 펄스 피크 기간 또는 제 3 펄스 하강 슬로프 기간의 도중에 다음회의 제 3 펄스를 출력할 수 있다.

[제 2 방법에 있어서의 용적 이행]

제 2 방법에 있어서, 상기한 용접 조건 1에서 펄스 아크 용접을 실시했을 때의 펄스 파형의 예에 대해서 도 6을 참조해서 설명한다. 도 6은 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 제 3 펄스의 제 2 실시형태를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 도시하고 있다. 도 6의 그래프에 있어서 타이밍(501)은, 제 1 펄스의 이탈 검지의 지표가 되는 기간(피크 기간, 하강 슬로프 기간, 베이스 기간)을 나타내고 있다. 그러나, 이러한 타이밍(501)에 있어서, 어떠한 외란에 의해 용적의 이탈을 검지하지 못했으므로, 본 발명의 용접 제어 장치는 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에 용적을 재차 들어올리면서 형상을 갖추도록 제 3 펄스를 출력하고 있다.

도 6의 그래프에 있어서 타이밍(502)은 제 3 펄스 피크 기간, 또는 제 3 펄스 하강 슬로프 기간, 또는 제 3 베이스 기간중 어느 하나의 타이밍을 나타내고 있다. 본 발명의 용접 제어 장치는, 타이밍(502)에 있어서, 용적의 이탈을 검출하지 못한 경우에 제 3 펄스 베이스 기간의 종료후에, 제 1 펄스를 생성해서 용접 전원에 출력한다. 그리고, 본 발명의 용접 제어 장치는, 제 1 펄스 피크 기간 또는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간중에, 용적의 이탈을 검지한 타이밍(503)에 있어서, 검지하자마자 즉시 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치(제 1 펄스 베이스 전류)로 전환하고, 소정치의 전류(제 1 펄스 베이스 전류)에 대해서 미리 정해진 기간(제 1 펄스 베이스 기간)의 종료후에 제 2 펄스를 생성해서 용접 전원에 출력한다. 따라서, 용적 이행의 규칙성을 손상하지 않고, 스패터 및 흄을 증가시키는 일이 없다.

[용접 시스템의 구성]

도 7은 본 발명의 용접 제어 장치를 포함하는 용접 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 구성도이다. 용접 시스템(100)은, 도 7에 도시하는 바와 같이, 주로 와이어 송급 장치(101)와, 용접 전원(102)과, 용접 제어 장치(103)와, 아크 용접 로봇(104)과, 로봇 제어 장치(105)를 구비하고 있다.

와이어 송급 장치(101)는 용접 제어 장치(103)를 거쳐서 용접 전원(102)과 접속되어 있다. 용접 전원(102)은 급전에 의해 와이어 송급 장치(101)를 구동한다. 용접 제어 장치(103)가 용접 지령 신호로서의 펄스 신호(펄스 전류)를 용접 전원(102)에 출력하면, 용접 전원(102)으로부터의 급전에 의해 와이어 송급 장치(101)가 구동되어서, 와이어(5)를 송출하는 롤러 등으로 이루어지는 와이어 송급로를 통해서 와이어(5)가 토치(107)에 송급된다.

아크 용접 로봇(104)은, 예컨대 6축 구성의 다관절형의 용접 로봇이며, 손목 부분에는 토치(107)가 부착되어 있다. 아크 용접 로봇(104)은 로봇 제어 장치(105)로부터의 지령에 근거해서 내부의 도시하지 않는 모터의 동작에 의해 각 관절을 움직이는 것에 의해, 토치(107)를 이동시킬 수 있다. 토치(107)는 와이어를 피용접재(W)를 향해서 송출하는 것이다. 이 송출된 와이어와 피용접재(W) 사이에 아크(6)가 형성됨으로써 용접이 실행된다.

로봇 제어 장치(105)는 아크 용접 로봇(104)과, 도시하지 않는 교시 팬던트(teaching pendant)에 접속되어 있고, 교시 팬던트로부터 입력된 명령(인칭 지령) 또는 미리 기억된 소정의 교시 프로그램에서 지시되는 용접 경로나 용접 작업 조건에 근거하여 아크 용접 로봇(104)을 제어하는 것이다.

또한, 용접 제어 장치(103)와 로봇 제어 장치(105)는, 예컨대 CPU(Central Processing Unit), ROM(Read 0nly Memory), RAM(Random Access Memory), HDD(Hard Disk Drive), 입출력 인터페이스 등을 구비하고 있다.

[용접 제어 장치의 구성]

도 8은 본 발명의 용접 제어 장치의 구성을 도시하는 블럭도이다. 도 8에서는, 용접 제어 장치(103)와, 이 용접 제어 장치(103)로부터 출력되는 펄스 신호(펄스 전류)에 의해 와이어(5)를 토치(107)에 보내주는 급전을 실행하는 용접 전원(102)을 도시하고 있다. 출력 제어 소자(1)는 도시하지 않는 3상 교류 전원에 접속되어 있고, 이 출력 제어 소자(1)에 주어진 전류는 트랜스(2), 다이오드로 이루어지는 정류부(3), 직류 리액터(8) 및 용접 전류를 검출하는 전류 검출기(9)를 거쳐서 콘택트 팁(4)에 주어진다. 또한, 콘택트 팁(4)은 파선으로 도시하는 바와 같이 토치(107)내에 수납되어 있다. 트랜스(2)의 저위 전원측에는 피용접재(W)가 접속되어 있고, 콘택트 팁(4)내를 관통 삽입해서 급전되는 와이어(5)와, 피용접재(W) 사이에 아크(6)가 생긴다. 콘택트 팁(4)과 피용접재(W) 사이의 용접 전압은 전압 검출기(10)에 의해 검출되어서 출력 제어기(15)에 입력된다. 이 출력 제어기(15)에는 전류 검출기(9)로부터 용접 전류의 검출치도 입력된다. 이로써, 출력 제어기(15)는 입력되는 용접 전압 및 용접 전류의 검출치(피드백 신호)를 기초로 와이어(5)에 급전하는 용접 전류 및 용접 전압의 지령치를 결정하고, 지령 신호를 출력해서 출력 제어 소자(1)를 제어하는 것에 의해 용접 출력을 제어한다. 또한, 출력 제어기(15)는 파형 생성기(20)로부터 입력되는 제 1 펄스 또는 제 3 펄스의 파형 형상을 나타내는 신호에 근거하여 출력 제어 소자(1)에 출력하는 신호를 변화시키는 것에 의해 펄스 아크를 제어한다.

도 8에 있어서 파선으로 도시하는 용적 이탈 검출부(18)는 소정 조건을 만족할 때에 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈 또는 이탈 직전을 검출하는 것이다. 본 실시형태에서는, 용적 이탈 검출부(18)는 파형 생성기(20)로부터 이탈 검출 허가 신호가 입력된 기간만 용적의 이탈 또는 이탈 직전을 검출하는 처리를 유효로 한다. 이 중, 이탈을 검지하는 방법으로서는, 예컨대 제 3 펄스 피크 기간(Tp3)(도 2 참조), 또는 제 3 펄스 하강 슬로프 기간(Td3)(도 2 참조)에 있어서, 전원 외부 특성이 정전압 특성이면, 용적 이탈에 의해 아크 길이가 길어질 때의 전류 저하를 파악하면 좋다. 한편, 제 3 펄스 피크 기간(Tp3), 또는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간(Td3)에 있어서, 전원 외부 특성이 정전류 특성이면, 용적 이탈에 의한 아크 전압의 급증을 파악하면 좋다. 또한, 제 3 펄스 피크 기간(Tp3), 또는 제 3 펄스 하강 슬로프 기간(Td3)에 있어서, 용접 전류, 용접 전압 또는 아크 저항(아크 임피던스=용접 전압/용접 전류) 등에 대해서 1단(1-stage) 또는 2단(2-stage)의 시간 미분 신호를 이탈 검지로서 이용해도 좋다. 본 실시형태에서는, 하기의 이유에 의해 2단의 시간 미분 신호를 용적의 이탈(또는 이탈의 직전)의 검지에 이용하는 것으로 한다.

여기에서, 용적의 이탈을 검출하는 원리에 대해서 도 9를 참조해서 설명한다. 도 9는 본 발명의 용접 제어 장치가 액적의 이탈을 검지하는 방법을 설명하기 위한 그래프로서, (a)는 용접 전압의 시간 변화, (b)는 용접 전압의 1단 시간 미분의 시간 변화, (c)는 용접 전압의 2단 시간 미분의 시간 변화를 나타내고 있다. 용적이 이탈하는 경우, 와이어 선단에 존재하는 용적의 근원이 잘록해지고, 그 잘록해짐이 진행하는 결과, 용접 전압 및 아크 저항(=용접 전압/용접 전류)이 상승한다. 또한, 용적이 이탈하면 아크 길이가 길어지기 때문에 용접 전압 및 아크 저항 이 상승한다. 또한, 용접 전압이나 아크 저항의 시간 미분치도 항상 상승하고 있다. 도 9(a)에 도시하는 그래프에서는, 601에서 도시하는 타이밍에서 용적이 이탈했다. 따라서, 601에서 도시하는 타이밍에 대해서, 예를 들면 도 9(a)에 도시하는 용접 전압의 경사의 급격한 시간 변화나, 도 9(b)에 도시하는 용적 전압의 시간 미분치(dV/dt)의 경사의 급격한 변화를 검출해서 연산에 의해 구하고, 그 결과를 소정의 역치(threshold value)와 비교하는 것에 의해, 용적의 이탈을 판정하는 것이 가능하다. 또한, 도 9(b) 및 도 9(c)의 시간축의 범위는 도 9(a)에 도시하는 시간범위(602)를 나타내고 있다.

그러나, 예컨대 용접 진행중에 전류나 전압 등의 용접 조건을 변화시킨 경우나, 개선(開先)내에 있어서의 위빙(weaving) 용접 등에 의해 와이어 돌출 길이가 변화된 경우에는 용적의 이탈을 정확하게 검출하는 것이 어렵다. 구체적으로는 용접중에 팁-모재간 거리[와이어 돌출 길이]를 3단계(30mm, 25mm, 20mm)로 변화시킨 경우에는 도 9(a)에 도시하는 바와 같이, 팁-모재간 거리가 긴 경우에는 전압의 상승은 완만하고, 팁-모재간 거리가 긴 경우에는 전압의 상승이 급격해진다. 이 경우, 각 전압치 레벨도 상이하다.

따라서, 팁-모재간 거리(와이어 돌출 길이)를 3단계(30mm, 25mm, 20mm)로 변화시킨 경우에는, 도 9(b)에 도시하는 바와 같이, 전압의 시간 미분치(dv/dt)도 상이하게 된다. 즉, 와이어 돌출 길이가 용접중에 변화된 경우에는, 용적의 이탈에 의한 전압의 변화와, 돌출 길이의 변화에 의한 전압의 변화가 겹쳐 버리므로, 용적의 이탈을 정확하게 검출할 수 없게 된다. 이것은 와이어 돌출 길이뿐만 아니라, 용접중에 용접 조건을 변화시킨 경우에도 동일하고, 또한 용접 전압뿐만 아니라 아크 저항에서도 동일하다.

한편, 팁-모재간 거리[와이어 돌출 길이]를 3단계(30mm, 25mm, 20mm)로 변화시켰다고 해도, 용접 전압의 2단 시간 미분치(d²V/dt²)는 도 9(c)에 도시하는 바와 같이 거의 동일값이다. 즉, 용접 전압의 2단 시간 미분치(d²V/dt²)는 와이어 돌출 길이나 용접 조건 등의 영향을 크게는 받지 않는다. 그래서, 본 실시형태에서는 용접중의 용접 전압의 2단 시간 미분치를 연산함으로써, 용적의 이탈(또는 이탈 직전)을 검출하고, 검출한 직후에 용접 전류를 낮추도록 제어하는 것으로 했다. 이로써, 용접중에 와이어 돌출이나 용접 조건 등이 변화된 경우에 있어서도, 용적의 이탈을 정확하게 검출할 수 있다.

본 실시형태에서는, 용적 이탈 검출부(18)는 도 8에 도시하는 바와 같이 용접 전압 미분기(11)와, 2단 미분기(12)와, 2단 미분치 설정기(13)와, 비교기(14)를 구비하고, 파형 생성기(20)로부터 이탈 검출 허가 신호가 입력되어 있을 때에 각각의 처리를 실행하는 것으로 했다.

용접 전압 미분기(11)는 전압 검출기(10)에 의해 검출된 전압치(용접중의 용접 전압치)를 시간 미분한다. 이러한 미분 전압치는 2단 미분기(12)에 의해 더 시간 미분되고, 그 산출 결과인 2단 미분치는 비교기(14)에 입력된다.

2단 미분치 설정기(13)는 와이어 선단으로부터 용적이 이탈할 때의 용접 전압의 2단 미분치(또는 용적 이탈 직전의 잘록부에 해당하는 2단 미분치)에 해당하 는 역치를 2단 시간 미분치로서 설정하는 것이다.

비교기(14)는 2단 미분기(12)로부터 입력하는 용접중의 용접 전압치의 2단 미분치(2단 미분 검출치)와, 2단 미분치 설정기(13)에서 설정된 2단 미분치(2단 미분 설정치)를 비교하는 것이다. 비교기(14)는 2단 미분 검출치가 2단 미분 설정치를 초과한 순간에 용적이 와이어 선단으로부터 이탈한 것(또는 이탈 직전인 것)으로 판정하고, 그 취지를 나타내는 용적 이탈 검출 신호를 파형 생성기(20)에 출력한다. 즉, 용적 이탈 검출 신호는 용적의 이탈(또는 이탈 직전)을 검출한 경우에 출력되는 신호이다.

파형 설정기(19)는 제 1 펄스, 제 2 펄스 및 제 3 펄스에 있어서의 펄스 파라미터(피크 전류, 펄스 피크 기간, 베이스 전류, 펄스 베이스 기간, 상승 슬로프 기간, 하강 슬로프 기간 등)를 파형 생성기(20)에 설정하는 것이다. 본 실시형태에서는, 파형 설정기(19)는 도시하지 않는 기억 수단에 미리 기억된 펄스 파라미터의 각 수치를 파형 생성기(20)에 입력한다.

파형 생성기(20)는 펄스 파형이 다른 2종류의 펄스 신호로서 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원(102)에 출력하는 동시에 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하는 것이다. 파형 생성기(20)는, 용적 이탈 검출부(18)로부터 용적 이탈 검출 신호가 입력된 경우에 파형 설정기(19)에서 설정된 설정치에 근거하여, 제 1 펄스 베이스 기간[파형 설정기(19)에서 설정된 출력 보정 기간]에서는 검출시의 용접 전류보다 낮은 용접 전류(제 1 펄스 베이스 전 류)가 되도록 출력 제어기(15)의 출력을 보정하기 위한 신호(출력 보정 신호)를 출력 제어기(15)에 출력한다. 또한, 용적 이탈 검출 신호가 입력되어서 제 1 펄스 베이스 기간[파형 설정기(19)에서 설정된 출력 보정 기간]이 종료한 경우에 파형 생성기(20)는 파형 설정기(19)에서 설정된 펄스 형상이 되도록 제 2 펄스의 파형 신호를 출력하고, 이어서 다시 제 1 펄스, 제 2 펄스에 의한 교대 출력을 반복한다.

또한, 본 실시형태의 파형 생성기(20)는 제 1 펄스를 출력후, 제 1 펄스 베이스 기간("제 1 베이스 기간"이라고 함)이 경과할 때까지, 용적 이탈 검출 신호가 입력되지 않는 경우에는 파형 설정기(19)에서 설정된 펄스 형상이 되도록 제 3 펄스의 파형 신호를 출력한다. 그 상세는 파형 생성기(20)의 동작과 함께 후술한다.

[용접 제어 장치의 동작]

(제 1 방법)

다음에, 본 실시형태의 용접 제어 방법의 제 1 방법에 의한 용접 제어 장치(103)의 동작으로서 주로 파형 생성기(20)의 펄스 생성 처리에 대해서 도 10을 참조(적절하게 도 8 참조)해서 설명한다. 도 10은 본 발명의 용접 제어 장치의 펄스 생성 처리의 일례를 도시하는 흐름도이다. 용접 제어 장치(103)의 파형 생성기(20)는 파형 설정기(19)에서 설정된 제 1 펄스의 출력 타이밍이 아니면(단계 S1: 아니오) 대기하고, 제 1 펄스의 출력 타이밍이 되면(단계 S1: 예), 제 1 펄스를 출력 제어기(15)에 출력한다(단계 S2). 통상과 같이, 용접 제어 장치(103)의 용적 이탈 검출부(18)가 용적의 이탈을 검지한 경우(단계 S3: 예), 용접 제어 장치(103) 의 파형 생성기(20)는 용적 이탈 검출 신호에 근거하여 저전류(제 1 펄스 베이스 전류)로 전환한다(단계 S4). 파형 생성기(20)는, 파형 설정기(19)에서 설정된 제 2 펄스의 출력 타이밍이 아니면(단계 S5: 아니오) 대기하고, 제 2 펄스의 출력 타이밍이 되면(단계 S5: 예) 제 2 펄스를 출력한다(단계 S6). 그리고, 파형 생성기(20)는 단계 S1으로 되돌아간다. 이로써, 통상의 경우, 용접 제어 장치(103)는 1주기당 1용적의 용적 이행의 규칙성을 실현할 수 있다.

또한, 통상과는 달리 용적을 이탈시키기 위한 제 1 펄스를 출력했는데도 불구하고, 상기한 단계 S3에 있어서, 어떠한 이유로 용적 이탈 검출부(18)가 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우(단계 S3: 아니오), 파형 생성기(20)는, 제 1 베이스 기간이 종료하지 않고 있으면(단계 S7: 아니오), 용적의 이탈 검지의 판별을 반복한다. 용적의 이탈을 검지할 수 없이 제 1 베이스 기간이 종료하면(단계 S7: 예), 파형 생성기(20)는 용적을 강제적으로 이탈시키기 위한 제 3 펄스를 출력한다(단계 S8). 그리고, 이 제 3 펄스를 출력한 후에 용적 이탈 검출부(18)가 용적의 이탈을 검지한 경우(단계 S9: 예), 파형 생성기(20)는, 단계 S4로 되돌아가서, 저전류로 전환한다. 이때의 저전류는 예컨대 제 3 펄스 베이스 전류이다. 즉, 파형 생성기(20)는 용적 이탈 검출 신호가 입력되어서 제 3 펄스 베이스 기간[파형 설정기(19)에서 설정된 출력 보정 기간]이 종료한 경우에, 파형 설정기(19)에서 설정된 펄스 형상이 되도록 제 3 펄스에 이어서 제 2 펄스의 파형 신호를 출력하고, 이어서 다시 제 1 펄스, 제 2 펄스에 의한 교대 출력을 반복한다. 이로써, 용접 제어 장치(103)는 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 있다.

또한, 제 3 펄스를 출력한 후에 용적 이탈 검출부(18)가 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우(단계 S9: 아니오), 파형 생성기(20)는 반복 조건을 만족하지 않고 있으면(단계 S10: 아니오), 단계 S8로 되돌아가서, 용적의 이탈이 검출될 때까지 제 3 펄스를 반복 출력한다. 그리고, 파형 생성기(20)는 용적의 이탈을 검지하지 못하고 반복 조건을 만족하면(단계 S10: 예), 단계 S1로 되돌아가서, 제 1 펄스를 출력한다.

(제 2 방법)

다음에, 본 실시형태의 용접 제어 방법의 제 2 방법에 의한 용접 제어 장치(103)의 동작으로서 주로 파형 생성기(20)의 펄스 생성 처리에 대해서 도 11을 참조(적절하게 도 8 및 도 10 참조)해서 설명한다. 도 11은 본 발명의 용접 제어 장치의 펄스 생성 처리의 다른 예를 도시하는 흐름도이다. 용접 제어 장치(103)가 실행하는 동작중, 단계 S1부터 단계 S7은 도 10에 도시한 것과 동일하므로 설명을 생략한다.

용접 제어 장치(103)의 파형 생성기(20)는, 용적의 이탈을 검지하지 못하고 제 1 베이스 기간이 종료하면(단계 S7: 예), 단계 S8에 있어서, 이탈하지 않은 용적을 정형해서 고치기 위한 제 3 펄스를 출력한다(단계 S8). 그리고, 이 제 3 펄스를 출력한 후에 용적 이탈 검출부(18)가 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우(단계 S9: 아니오), 파형 생성기(20)는, 제 3 베이스 기간이 종료하지 않고 있으면(단계 S20: 아니오), 용적의 이탈 검지의 판별을 반복한다. 그리고, 용적의 이탈을 검지하지 못하고 제 3 베이스 기간이 종료하면(단계 S20: 예), 단계 S1로 되돌아가서, 정형된 용적을 이탈시키기 위한 제 1 펄스를 출력한다. 즉, 파형 생성기(20)는, 용적 이탈 검출 신호가 입력되지 않고 제 3 펄스 베이스 기간[파형 설정기(19)에서 설정된 출력 보정 기간]이 종료한 경우에, 파형 설정기(19)에서 설정된 펄스 형상이 되도록, 제 3 펄스에 이어서 제 1 펄스의 파형 신호를 출력하고, 계속해서 제 2 펄스를 출력한다. 이후, 다시 제 1 펄스, 제 2 펄스에 의한 교대 출력을 반복하게 된다. 이로써, 용접 제어 장치(103)는 용적 이행의 규칙성을 복귀시킬 수 있다. 또한, 단계 S9에 있어서, 가령 용적의 이탈을 검지한 경우(단계 S9: 예), 제 1 방법과 같이, 단계 S4로 되돌아가서, 저전류(예컨대, 제 3 펄스 베이스 전류)로 전환할 수 있다.

또한, 용접 제어 장치(103)는, 일반적인 컴퓨터를 상기한 용적 이탈 검출부(18), 파형 설정기(19) 및 파형 생성기(20)로서 기능시키는 용접 제어 프로그램에 의해 동작시킴으로써 실현할 수도 있다. 이 제어 프로그램은 통신회선을 거쳐서 제공하는 것도 가능하며, CD-ROM이나 플래쉬 메모리 등의 기록 매체에 기록해서 배포하는 것도 가능하다.

본 실시형태에 의하면, 용접 제어 장치(103)는, 어떠한 외란에 의해 제 1 펄스 피크 기간(Tp1) 또는 그것에 이어지는 제 1 펄스 하강 슬로프 기간(Tdown) 또는 그것에 이어지는 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1)에서 용적의 이탈을 검지하지 못한 경우에는 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1) 종료후에 제 2 펄스와는 다른 펄스 형상을 갖는 제 3 펄스를 출력한다. 제 3 펄스의 제 1 실시형태에 의해, 이탈할 수 없었던 용적을 강제적으로 이탈시킬 수도 있다. 또한, 제 3 펄스의 제 2 실시형태에 의 해, 이탈할 수 없었던 용적을 정형해서 고치고, 그 후 제 1 펄스에 의해 이탈시킬 수도 있다. 이 때문에, 용접 제어 장치(103)는 어떠한 외란에 의해 발생한 용적 이행의 규칙성의 어긋남을 수정하여, 즉시 정상 상태로 복귀시킬 수 있다. 그 결과, 1주기당 1용적의 용적 이행의 규칙성에 의해, 대립 스패터를 저감하는 동시에 용적 이탈시의 와이어 선단의 잘록부 부분의 비산에 의한 소립 스패터나 용적 이탈후의 와이어에 잔류한 융액의 비산에 의한 소립 스패터를 대폭 저감할 수 있다. 또한, 용적 이행의 규칙성을 실현함으로써, 용접 아크를 안정화하는 동시에 스패터 발생량 및 흄 발생량을 대폭 저감할 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기한 실시형태에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 실시형태에서는, 용접 제어 장치(103)를 포함하는 용접 시스템(100)에는 아크 용접 로봇(104)을 포함하는 것으로 했지만, 본 발명은 로봇 용접이 필수적이지는 않다. 예를 들면, 용접 제어 장치(103) 및 용접 전원(102)을 이용하여 사람의 손을 거친 반자동 토치에 의해 실현할 수도 있다. 또한, 펄스 아크 용접에 이용하는 실드 가스는 100% CO₂에 한정되지 않고, 탄산 가스가 주성분(50% 이상)인 혼합 가스라도 좋다. 또한, 이 혼합 가스에 Ar 등의 불활성 가스를 포함해도 좋다.

또한, 본 실시형태에서는 제 1 펄스(201) 및 제 2 펄스(202)는 그 피크 전류가 상이한 것으로 하여 설명했지만, 그 펄스 폭이 상이한 것으로 해도 좋다. 또한, 피크 전류와 펄스 폭이 양쪽 모두 상이해도 좋다. 즉, 이들 2종류의 펄스는 용적을 이탈시키는 역할과, 용적을 정형하는 역할에 따라 펄스 파형이 상이하면 좋다.

[실시예]

본 발명의 효과를 확인하기 위해서, 본 실시형태의 용접 제어 방법의 제 1 방법 및 제 2 방법에 대해서 실험을 실행했다.

(제 1 방법의 실험 방법)

하기의 용접 조건 2, 표 1 및 표 2에 나타내는 제 3 펄스의 펄스 파라미터(적절하게 도 2 참조)를 각각 이용해서 탄산 가스를 실드 가스로서 이용한 펄스 아크 용접을 실행하여, 스패터 발생량 및 흄 발생량을 측정했다. 이때, 도 12(a) 및 도 12(b)에 도시하는 2개의 동제(銅製)의 포집 상자(108)내에서 용접을 실행하여, 스패터를 포집했다. 도 12는 본 발명의 용접 제어 장치에 의한 스패터 발생량을 측정하기 위한 스패터 포집 방법의 설명도로서, (a)는 포집 상자의 정면 사시도, (b)는 포집 상자의 측면으로부터 내부를 투시한 도면을 도시하고 있다. 2개의 포집 상자(108) 사이에 피용접재(W)를 배치하고, 토치(107)를 피용접재(W)상에 배치해서 용접을 실시했다. 그때 발생하는 스패터(111)를 포집 상자(108)의 상반부에 마련한 개구(109)를 거쳐서, 포집 상자(108)내에 포집했다. 또한, 흄 발생량에 대해서는 JIS Z3930에 준한 방법을 이용하여 측정했다. 또한, 도 13에, 이때에 이용한 제 1 펄스(201) 및 제 2 펄스(202)의 펄스 파라미터의 설정치를 도시한다.

(용접 조건 2)

와이어 : JIS Z3312 YGW11 1.2mmφ

탄산 가스 : 100% CO₂

시험판 : SM490A

팁 모재간 거리 : 25mm

토치 전진각 : 30°

용접 속도 : 40cm/min

[표 1]

[표 2]

(제 1 방법의 실험 결과)

표 1 및 표 2에 있어서, 미국 특허 공개 제 2007/210048 호 공보의 실시예에 근거하여, 스패터 발생량이 4.0[g/min] 미만, 흄 발생량이 400[mg/min] 미만인 것을 양품(○)으로서 표기했다. 양품(○)중, 스패터 발생량이 20[g/min] 미만, 흄 발생량이 300[mg/min] 미만인 것을 양호(◎)로서 표기했다. 표 1에 나타내는 실시예 1 내지 실시예 13은 상기한 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건을 만족하는 것이며, 평가는 모두 양호(◎)였다. 또한, 표 1에 있어서, 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건의 상한 또는 하한 근방의 범위내의 수치를 밑줄로 나타냈다.

표 2에 나타내는 실시예 14 내지 실시예 23은 제 3 펄스를 이용했지만, 상기한 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건중 조건을 만족하지 않는 펄스 파라미터를 갖는 것이고, 평가는 모두 양품(○)이었다. 또한, 표 2에 있어서 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건의 하한치를 만족하지 않거나, 또는 상한치를 초과하는 것과 같은 범위외의 수치를 밑줄로 나타냈다. 또한, 실시예 14 내지 실시예 23에 대해서는, 실시예 1 내지 실시예 13보다도 스패터 발생량 및 흄 발생량이 증대했지만, 모두 스패터 발생량 4.0[g/min] 미만이고, 흄 발생량 400[mg/min]을 초과하지 않는다.

표 2에 나타내는 실시예 14 내지 실시예 23에 대해서, 스패터 발생량 및 흄 발생량이 양품(○)이었던 이유는 하기와 같다.

실시예 14 : Ip3이 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건의 하한치(이하, 단순히 "하한치"라고 함) 이하이기 때문에, 용적이 이탈하기 어려워, 1주기당 1용적 이 행을 부활시키기 어려워서 스패터, 흄을 증대시킨다.

실시예 15: Ip3이 제 1 방법의 적합한 파라미터 조건의 상한치(이하, 단순히 "상한치"라고 함) 이상이기 때문에, 피크 기간에 용적을 밀어올리는 아크력이 강해지기 쉬워서, 이탈한 용적이 스패터가 되는 동시에 용적 과열이 크기 때문에 흄을 증대시킨다.

실시예 16 : Tu3이 상한치 이상이기 때문에, 용적을 밀어올리는 아크력이 강해지기 쉬워서, 이탈한 용적이 스패터가 되기 쉽다.

실시예 17 : Tp3이 하한치 이하이기 때문에, 용적이 이탈하기 어려워, 1주기당 1용적 이행을 부활시키기 어려워서 스패터, 흄을 증대시킨다.

실시예 18 : Tp3이 상한치 이상이기 때문에, 피크 기간 동안에 용적 이탈이 빈발하여, 소립 스패터 및 흄이 증대하는 동시에 1주기당 1용적 이행을 부활시키기 어렵다.

실시예 19 : Td3이 상한치 이상이기 때문에, 고전류에서 용적 이탈이 일어나기 때문에 소립 스패터를 억제하기 어렵다.

실시예 20 : Ib3이 하한치 이하이기 때문에, 아크 끊김, 단락이 빈발해서 스패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 21 : Ib3이 상한치 이상이기 때문에, 용적으로부터 와이어로 아크가 이동하는 순간에 있어서, 와이어측에 잔류하는 융액을 불어 날려버리기 쉬워져서 소립 스패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 22 : Tb3이 하한치 이하이기 때문에, 용적으로부터 와이어로 아크가 이동하는 순간에 있어서, 와이어측에 잔류하는 융액을 정형하기 어려워서 소립 스패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 23 : Tb3이 상한치 이상이기 때문에, 용적과 용융지 사이에서 단락이 생기기 쉬워져서, 소립 스패터 및 흄을 증대시킨다.

(제 2 방법의 실험 방법)

상기한 용접 조건 2, 하기의 표 3 및 표 4에 나타내는 제 3 펄스의 펄스 파라미터(적절하게 도 2 참조)를 각각 이용하여, 탄산 가스를 실드 가스로서 이용한 펄스 아크 용접을 실행하여, 스패터 발생량 및 흄 발생량을 측정했다. 이때, 제 1 방법의 실험 방법과 마찬가지로, 도 12에 도시한 방법으로 스패터 발생량을 측정하여, 흄 발생량에 있어서는, JIS Z3930에 준한 방법을 이용하여 측정했다. 또한, 마찬가지로 도 13에 도시한 제 1 펄스(201) 및 제 2 펄스(202)의 펄스 파라미터의 설정치를 이용했다.

[표 3]

[표 4]

(제 2 방법의 실험 결과)

표 3 및 표 4에 있어서, 제 1 방법의 평가 기준과 동일하게, 스패터 발생량 및 흄 발생량을 평가했다. 표 3에 나타내는 실시예 24 내지 실시예 31은 상기한 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건을 만족하는 것이며, 평가는 모두 양호(◎)였다. 또한, 표 3에 있어서, 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건의 상한 또는 하한 근방의 범위내의 수치를 밑줄로 나타냈다.

표 4에 나타내는 실시예 32 내지 실시예 39는 제 3 펄스를 이용했지만, 상기한 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건중 조건을 만족하지 않는 펄스 파라미터를 갖는 것이고, 평가는 모두 양품(○)이었다. 또한, 표 4에 있어서, 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건의 하한치를 만족하지 않거나, 또는 상한치를 초과하는 것과 같은 범위외의 수치를 밑줄로 나타냈다. 또한, 실시예 32 내지 실시예 39에 대해서는, 실시예 24 내지 실시예 31보다도 스패터 발생량 및 흄 발생량이 증대했지만, 모두 스패터 발생량 4.0[g/min] 미만이고, 흄 발생량 400[mg/min]을 초과하지 않는다.

표 4에 나타내는 실시예 32 내지 실시예 39에 대해서, 스패터 발생량 및 흄 발생량이 양품(○)이었던 이유는 하기와 같다.

실시예 32 : Ip3이 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건의 하한치(이하, 단순히 "하한치"라고 함) 이하이기 때문에, 용적을 재차 들어올리기 어렵다. 또한, 1주기당 1용적 이행을 부활시키기 어려워서 스패터, 흄을 증대시킨다.

실시예 33 : Ip3이 제 2 방법의 적합한 파라미터 조건의 상한치(이하, 단순히 "상한치"라고 함) 이상이기 때문에, 와이어의 용융이 과도하게 진행할 뿐만 아니라, 아크력이 강해지기 쉬워서, 용적이 스패터가 되기 쉽다. 또한, 용적 과열이 크기 때문에 흄을 증대시킨다.

실시예 34 : Tp3이 하한치 이하이기 때문에, 용적을 재차 들어올리기 어렵다. 또한, 1주기당 1용적 이행을 부활시키기 어려워서 스패터, 흄을 증대시킨다.

실시예 35 : Tp3이 상한치 이상이기 때문에, 와이어의 용융이 과도하게 진행하는 동시에, 피크 기간 동안의 용적이 스패터가 되기 쉽다. 또한, 용적 과열이 크기 때문에 흄을 증대시킨다.

실시예 36 : Ib3이 하한치 이하이기 때문에, 아크 끊김, 단락이 빈발하여 스패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 37 : Ib3이 상한치 이상이기 때문에, 용적으로부터 와이어로 아크가 이동하는 순간에 있어서, 와이어측에 잔류하는 융액을 불어 날려버리기 쉬워져서 소립 스패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 38 : Tb3이 하한치 이하이기 때문에, 아크 끊김, 단락이 빈발하여 스 패터 및 흄을 증대시킨다.

실시예 39 : Tb3이 상한치 이상이기 때문에, 용적으로부터 와이어로 아크가 이동하는 순간에 있어서, 와이어측에 잔류하는 융액을 불어 날려버리기 쉬워져서 소립 스패터 및 흄을 증대시킨다.

도 1은 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도,

도 2는 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 제 3 펄스의 파형을 모식적으로 도시하는 설명도,

도 3은 본 발명의 용접 제어 장치에 의한 용적의 이탈 검지의 일례를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 각각 도시하는 도면,

도 4는 도 3의 그래프의 비교예로서 종래의 용접 제어 장치에 의한 용적의 이탈 검지를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 각각 도시하는 도면,

도 5는 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 제 3 펄스의 제 1 실시형태를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 각각 도시하는 도면,

도 6은 본 발명의 용접 제어 장치가 생성하는 제 3 펄스의 제 2 실시형태를 설명하는 그래프로서, 용접 전류 및 용접 전압의 파형과 이탈 검지 신호를 각각 도시하는 도면,

도 7은 본 발명의 용접 제어 장치를 포함하는 용접 시스템의 일례를 모식적으로 도시하는 구성도,

도 8은 본 발명의 용접 제어 장치의 구성을 도시하는 블럭도,

도 9는 본 발명의 용접 제어 장치가 액적의 이탈을 검지하는 방법을 설명하기 위한 그래프로서, (a)는 용접 전압의 시간 변화, (b)는 용접 전압의 1단 시간 미분의 시간 변화, (c)는 용접 전압의 2단 시간 미분의 시간 변화를 도시하는 도면,

도 10은 본 발명의 용접 제어 장치의 펄스 생성 처리의 일례를 도시하는 흐름도,

도 11은 본 발명의 용접 제어 장치의 펄스 생성 처리의 다른 예를 도시하는 흐름도,

도 12는 본 발명의 용접 제어 장치에 의한 스패터 발생량을 측정하기 위한 스패터 포집 방법의 설명도로서, (a)는 포집 상자의 정면 사시도, (b)는 포집 상자의 측면으로부터 내부를 투시한 도면을 도시하는 도면,

도 13은 본 발명의 용접 제어 장치에 의한 스패터 발생량을 측정할 때에 생성한 제 1 펄스 및 제 2 펄스의 파형 및 파라미터 값을 도시하는 도면,

도 14는 종래의 펄스 아크 용접 방법으로 생성되는 펄스 파형에 의한 용접 와이어 선단부의 시계열 변화를 모식적으로 도시하는 설명도,

도 15는 종래의 펄스 아크 용접 방법으로 생성되는 제 1 펄스 및 제 2 펄스의 파형을 모식적으로 도시하는 설명도.

도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

201 : 제 1 펄스 202 : 제 2 펄스

203 : 제 3 펄스 204 : 아크

205 : 와이어 선단 206 : 잘록부

207 : 용적 Ib3 : 제 3 펄스 베이스 전류

Ip3 : 제 3 펄스 피크 전류 Tu3 : 제 3 펄스 상스 슬로프 기간

Tp3 : 제 3 펄스 피크 기간 Td3 : 제 3 펄스 하강 슬로프 기간

Tb3 : 제 3 펄스 베이스 기간

Claims (7)

1. 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스가 주성분인 혼합 가스를 실드 가스로 하는 아크 용접에 이용되는 용접 제어 장치에 있어서,

   용접 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부; 및

   상기 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 상기 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하는 동시에 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 상기 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하는 파형 생성기로 이루어지며,

   상기 파형 생성기는, 상기 제 1 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에, 상기 제 2 펄스와는 펄스 피크 전류 및 펄스 폭중 적어도 한쪽이 다른 펄스 형상을 갖는 제 3 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력하는

   용접 제어 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 파형 생성기는, 상기 제 3 펄스의 피크 기간 또는 하강 슬로프 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 상기 제 3 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하고, 상기 소정치의 전류에 대해서 미리 설정된 기간의 종료후에, 상기 제 2 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력하는

   용접 제어 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 파형 생성기는, 상기 제 3 펄스의 피크 기간 또는 하강 슬로프 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 용적의 이탈이 검출될 때까지 미리 설정된 회수를 최대로 하여 연속해서 상기 제 3 펄스를 반복 생성해서 상기 용접 전원에 출력하는

   용접 제어 장치.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 펄스의 피크 전류(Ip1)는 300A 내지 700A,

   상기 제 1 펄스의 피크 기간(Tp1)은 0.3ms 내지 5.0ms,

   상기 제 1 펄스의 베이스 전류(Ib1)는 30A 내지 200A,

   상기 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1)은 0.3ms 내지 10ms,

   상기 제 2 펄스의 피크 전류(Ip2)는 Ip2<Ip1, 또한 200A 내지 600A,

   상기 제 2 펄스 피크 기간(Tp2)은 1.0ms 내지 15ms,

   상기 제 2 펄스 베이스 전류(Ib2)는 30A 내지 200A,

   상기 제 2 펄스 베이스 기간(Tb2)은 3.0ms 내지 20ms이며,

   상기 제 3 펄스에 대한 상기 소정치는 상기 제 3 펄스 베이스 기간의 전류치를 나타내는 베이스 전류이고,

   상기 미리 설정된 기간은 상기 제 3 펄스 베이스 기간이며,

   상기 제 3 펄스의 피크 전류(Ip3)는 300A 내지 700A,

   상기 제 3 펄스의 상승 슬로프 기간(Tu3)은 5.0ms 이하,

   상기 제 3 펄스의 피크 기간(Tp3)은 0.3ms 내지 5.0ms,

   상기 제 3 펄스의 하강 슬로프 기간(Td3)은 10.0ms 이하,

   상기 제 3 펄스 베이스 전류(Ib3)는 30A 내지 200A,

   상기 제 3 펄스 베이스 기간(Tb3)은 0.3ms 내지 10ms의 각 조건을 만족하는

   용접 제어 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 파형 생성기는, 상기 제 3 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 제 3 펄스 베이스 기간의 종료후에, 상기 제 1 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력하는

   용접 제어 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 제 1 펄스의 피크 전류(Ip1)는 300A 내지 700A,

   상기 제 1 펄스의 피크 기간(Tp1)은 0.3ms 내지 5.0ms,

   상기 제 1 펄스 베이스 전류(Ib1)는 30A 내지 200A,

   상기 제 1 펄스 베이스 기간(Tb1)은 0.3ms 내지 10ms,

   상기 제 2 펄스의 피크 전류(Ip2)는 Ip2<Ip1, 또한 200A 내지 600A,

   상기 제 2 펄스 피크 기간(Tp2)은 1.0ms 내지 15ms,

   상기 제 2 펄스 베이스 전류(Ib2)는 30A 내지 200A,

   상기 제 2 펄스 베이스 기간(Tb2)은 3.0ms 내지 20ms이며,

   상기 제 3 펄스의 피크 전류(Ip3)는 100A 내지 400A,

   상기 제 3 펄스의 피크 기간(Tp3)은 0.3ms 내지 10.0ms,

   상기 제 3 펄스 베이스 전류(Ib3)는 30A 내지 200A,

   상기 제 3 펄스 베이스 기간(Tb3)은 0.3ms 내지 15ms의 각 조건을 만족하는

   용접 제어 장치.
7. 탄산 가스 단체 또는 탄산 가스가 주성분인 혼합 가스를 실드 가스로 하는 아크 용접에 있어서 용접 와이어 선단으로부터의 용적의 이탈을 검출하는 용적 이탈 검출부와, 상기 용적을 이탈시키는 제 1 펄스와, 상기 용적을 정형하는 제 2 펄스를 교대로 생성해서 용접 전원에 출력하는 동시에 상기 용적의 이탈이 검출된 경우에 즉시 상기 제 1 펄스의 전류치를 검출시의 전류치보다도 낮은 소정치로 전환하는 파형 생성기를 구비하는 용접 제어 장치의 용접 제어 방법에 있어서,

   상기 용접 제어 장치는, 상기 용적 이탈 검출부에 의해, 상기 제 1 펄스의 피크 기간, 하강 슬로프 기간 또는 베이스 기간에 있어서 상기 용적의 이탈이 검출되지 않은 경우에, 상기 파형 생성기에 의해, 상기 제 1 펄스 베이스 기간 종료후에, 상기 제 2 펄스와는 펄스 피크 전류 및 펄스 폭중 적어도 한쪽이 다른 펄스 형 상을 갖는 제 3 펄스를 생성해서 상기 용접 전원에 출력함으로써 용적 이행 규칙성의 어긋남을 수정하는

   용접 제어 방법.

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